过共晶铸造铝硅合金与加工技术
115页1、,1,过共晶铸造铝硅合金 及加工技术,孙玉福 刘胜新,郑州大学材料科学与工程学院 2016.07,2,2,铸造铝硅合金的成分、组织及性能 过共晶铝硅合金的特点和应用 过共晶铝合金的熔炼工艺 过共晶铝合金的组织控制 过共晶铝硅合金铸造方式 过共晶铝硅合金的强化方法 过共晶铝硅合金的加工,主要内容,3,概述,纯铝:优良的导电和电热性能,表面有致密氧化膜,在大气、淡水及氧化性酸类中有一定的耐蚀性。,以纯铝为基,添加不同的合金元素,将形成不同系列的铝合金。,4,一、铸造铝硅合金的成分、组织及性能,Al-Si二元相图,在铝硅合金中加 Si,能显著改善合金的流动性,降低合金的热膨胀系数,减少热裂倾向,减轻合金比重,提高耐磨性、高温强度、刚度和疲劳强度,并且减少疏松提高气密性。,5,亚共晶铝硅合金组织,a,(a+b),过共晶铝硅合金组织,b,b (Si)+共晶体(a+b),a (Al)+共晶体(a+b),6,一、铸造铝硅合金的成分、组织及性能,按合金中Si 含量的多少,该系合金可分为三类:亚共晶(Si10%),共晶(Si11%13%)和过共晶(Si16%26%)铝硅合金。,共晶和亚共晶型铝硅合金通常
2、加入铜、镁、镍、锌等合金元素,需通过热处理提高机械性能,具有较好的力学性能、摩擦性能和使用性能,是中小型内燃机活塞的首选材料,国内常用的该类合金以 ZL108 和 ZL109 为典型代表。,7,表1 国内外常用活塞铝合金的物理性能,8,铝的塑性大,不易切削。随着含硅量的增加,共晶体的数量增多,切削性能改善,但硅相硬度高,易磨损刀具,尤其是有粗大共晶硅的过共晶铝硅合金,通常刀具磨损严重,被加工表面毛糙。,含硅量的变化对铝硅合金的组织和性能都会产生影响,通常随着硅量的增加,磨损量、腐蚀量、线膨胀系数、密度和电导率均直线下降。,初生 Si 的显微硬度很高为 HV1000 1300,而(A l)的显微硬度仅为HV60 100。含硅量的变化和是否进行变质处理是影响铝硅合金组织和性能的重要因素。,10,共晶型铝硅合金具有优良的铸造性能,但因力学性能不高,故常用于压铸、挤压铸造等高速冷却的铸造方法。通常铸造铝硅合金需要进行变质处理。,含硅量的变化对铝硅合金力学性能的影响,11,共晶铝硅合金的缺点 热膨胀系数随着温度升高变化较大,耐磨性较差; 致密性较差,对于要求尺寸精确的零件不太适合。如,当活塞运转
3、温度过高时会出现“咬缸”,发生危险。,近年来,对汽车发动机的要求越来越高,共晶合金的热膨胀系数、耐磨性等性能都不能适合发动机的发展,因此,过共晶合金得到了快速发展。,12,二、过共晶铝硅合金的特点和应用,常规凝固组织特点:由初生Si和(a+Si)共晶体组成, 其中初生 Si 的显微硬度很高,为 HV1000-1300,a (Al)的显微硬度仅为HV60-100,一种软基体上分布着硬质点的理想轻质耐磨结构材料。生产中均需要变质处理。,变质处理,未变质,13,初晶硅形貌可划分为五种基本类型:八面体等轴晶体、六边形片状晶体、包含有不同数目孪晶的等轴晶体、包含有放射形孪晶面的星形晶体和球状晶体。 未经变质处理的初生硅一般呈粗大的板片状、多角形块状或五瓣星状。 随着硅含量的提高,板片状所占有的比例也越来越高,初生硅变得十分粗大。这显著地降低了过共晶合金的力学性能和切削加工性能。,使用性能特点: 热膨胀系数低、密度小、尺寸稳定性好、导热能力强、耐磨、耐蚀等特性,特别适用于制造轻质、耐磨零件。,14,过共晶铝硅合金的性能特点,1)铸造性能,初晶硅析出时放出大量结晶潜热,常用的过共晶Al-Si合金比共
4、晶合金具有更好的流动性。但Si含量大于18%以后流动性也会开始下降。随着合金中硅含量的增加,合金的线收缩率减小。,但随着结晶温度范围的扩大,一些铸造缺陷也会逐渐显现,如合金的缩松倾向增大、气密性降低,即铸造性能下降。,15,2)力学性能,若没有经过变质处理,其力学性能很难满足使用性能要求;若经过合适的变质处理,合金可以获得满意的机械性能。随着温度的升高,合金的强度降低而塑性提高。在成分选择合适并经过变质处理的条件下,过共晶 Al-Si 合金的高温强度可以超过共晶合金。,随着含硅量增加,合金组织中的初晶硅体积百分数增加,从而使合金的耐磨性提高。 与共晶型和亚共晶型铝硅合金相比, 过共晶 Al-Si 合金的磨损率仅是共晶Al-Si合金的磨损率的0.3-0.5倍, 仅为亚共晶Al-Si 合金的磨损率的 0.1 - 0.2倍。,3)耐磨性能,16,5)过共晶铝硅合金切削加工困难 刀具极易磨损,加工表面粗糙。解决的途径是使用金刚石刀具,或在合金成分中加入少量铅和铋。,4)具有高温强度高和尺寸稳定性好等优良特性 目前研究主要集中于硅含量在30%以下的过共晶合金。由于超高硅铝合金具有良好的导热性能、
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